[所有嘢都係量子力學系列] 又係粒子又係波即係點? (What is wave-particle duality?)

20110421

(credit: SMBC comics)

(上回提要) 之前篇文《量子力學,真實存在的異世界》講過吓乜嘢係量子力學同入面嘅基本原則,介紹左薛定諤的貓,大家仲記唔記得? 簡單重溫吓,量子力學嘅世界就好似當勞侵同佢團隊所講「除左真相同謊言之外,仲有樣嘢叫另類真相(alternative facts)」#kill# 、仲有啲政府官員話「傾同唔傾中間有好多討論空間」咁#kill# #kill#,結果唔係絕對。雖然好似好荒謬,但唔同強國/當勞侵邏輯,呢個的確係微觀世界量子力學入面嘅真理。

用中學知識睇出點解需要量子力學

一般人第一次接觸量子力學都會覺得好奇怪,接受唔到。始終我地平時嘅宏觀世界、見到嘅野都係同牛頓力學吻合,好難一時之間改變舊有觀念。唔通量子力學真係咁難以接受? 又未必嘅 😉 其實只要用一啲中學知識,簡單推論一吓就可以睇到牛頓力學喺微觀世界係唔適用,需要用量子力學 (好似係)。

試想像一個中學喺化學/物理課堂學嘅簡單原子模型(香港而家唔知仲有冇教[sosad])

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老師通常都會教大家個模型就好似地球圍繞太陽公轉咁,粒電子圍住原子核轉,呢個係20世紀初盧瑟福(Ernest Rutherford)提出嘅模型。但其實如果你認真諗吓,咁嘅模型係牛頓力學下係唔work架! 點解? 因為任何圓周運動都係有向心力(或者啲人成日錯誤講嘅「離心力」[1] ),亦即係有加速(acceleration)。咁一粒有電荷嘅電子加速緊會點? 咪就係會釋放出電滋波,亦即係粒電子會有能量損耗。所以呢個模型係唔會穩定,而依樣就係可以簡單睇到牛頓力學喺微觀世界唔再適用嘅證據。

究竟係粒子定係波?

其實係量子力學未出現之前,遠至古希臘時代,啲人已經有討論自然界萬物既基本組成究竟係粒子(particle)抑或係波(wave),尤其係光。德謨克利(Democritus)最先提出原子論,認為宇宙萬物包括光都係由原子組成。一直去到17世紀先 出現改變。由嗰時開始,隨住科學家對光嘅認識多咗,牛頓(Issac Newton)、海更斯 (Christiaan Huygens) 、菲涅爾(Augustin-Jean Fresnel)等嘅科學家就喺到嗌究竟光係粒子定係波。呢個爭論一直持續。其後當發現咗偏振(polarisation)同出現左麥斯威爾公式(Maxwell’s equations)去形容光/電滋波,光應該係波成為主流,一切好似蓋棺論定嘅時候,個爭論突然又死灰復燃 [sosad] 因為科學家又發現咗光電效應(photoelectric effect)同黑體輻射(blackbody radiation)呢啲光波、經典物理學解釋唔到嘅嘢。於是包括愛因斯坦(Albert Einstein)、普朗克(Max Planck)、玻爾(Niels Bohr)等物理學家又開始嗌過 [sosad] 最後德布羅意(Louis de Broglie)「睇唔過眼」,索性提出話除咗光之外,其實所有物質都有粒子同波呢兩種特性,確立咗波粒二象性(wave-particle duality)呢個概念,仲攞埋諾貝爾獎。

咁又係粒子又係波其實即係點?_? 以下係一段動畫簡單解釋點樣用雙縫實驗(double-slits experiments)睇出微觀世界量子力學入面嘅波粒二象性

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/e4/Wave-particle_duality.ogv

測不準定律 (Heisenberg’s uncertainty principle)

波粒二象性呢個概念除咗顛覆人對自然界萬物嘅概念之外,仲帶嚟好多「怪異」嘅現象。其中一樣就係海森堡(Werner Heisenberg)測不準定律。簡單講即係唔同喺宏觀世界經典物理學入面,粒子嘅動量(momentum)同位置(position)係冇可能同時好準確咁量度到出來。量度時佢地夾埋永遠都有一個最少嘅不確定值;同樣地,根據狹義相對論(special relativity),量度能量(energy)同時間(time)時都會有呢種測不準定律。 簡單講解可以睇以下短片(英文)

https://www.youtube.com/watch?v=D1yb1adU2vI

理論上我地點樣推論出波粒二象性會導致測不準定律呢? 我地可以用一種數學方法叫傅立葉轉換(Fourier transform)睇出嚟。首先,根據波粒二象性,所有粒子都有波嘅特性,而波既波長(wavelength)係同動量有直接關係。所以如果你可以好準確咁量度到粒子嘅動量,亦即係話你可以準確定義到嗰粒粒子相對應嘅波嘅波長。呢個情況只有係一個連續等幅波(continuous wave)先有可能,但咁亦即係話你冇可能定義到呢個波,亦即係粒粒子係邊。相反,如果你可以準確咁量度到粒子嘅位置, 咁粒粒子相對應嘅波嘅波就只可能係一個波包(wave packet)。但傅立葉轉換話俾我地知呢種波係由無數咁多個唔同波長嘅連續等幅波組合而成,所以即係話你冇可能準確知道波長,亦即係粒子嘅動量。

實際上又點呢? 海森堡著名嘅思想實驗 – 海森堡顯微鏡實驗(Heisenberg’s Microscope)話俾我地知事實上真係存在測不準定律。詳細請睇以下段片(英文):

https://www.youtube.com/watch?v=dgoA_jmGIcA

今次量子力學講到呢度,下次再講多啲。

 

PS: [1] 物理學上冇離心力呢樣嘢,你有「離心」嘅錯覺係因為慣性,向心力唔夠維持圓周運動

引申延讀:

測不準定律: https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E4%B8%8D%E7%A1%AE%E5%AE%9A%E6%80%A7%E5%8E%9F%E7%90%86

波粒二象性: https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%B3%A2%E7%B2%92%E4%BA%8C%E8%B1%A1%E6%80%A7

光電效應: https://phycat.wordpress.com/2016/11/19/photoelectric-effect-einsteins-nobel/

量子力學入門: https://phycat.wordpress.com/2015/06/05/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E6%87%82%E9%87%8F%E5%AD%90%E5%8A%9B%E5%AD%B8/

正式進入指鹿為馬的世界,你仲講科學精神? sosad (We are entering an era of post-truth/”alternative facts world)

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(credit: The New Yorker)

(曲線中) 自從強國開始勃起,強國邏輯同689式語言偽術就逐漸成為香港既主流。而隨著Donald Trump 上星期五上台,後真相時代(post-truth world era)可謂終於正式來臨了,你睇下幾多人出席同支持佢嗰就職典禮 ,多過一百萬人,好似係[slick] [slick] 強國/香港又再一次跑贏全世界,走在時代既尖端 [adore] [adore] (曲線中)

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(credit: RogelioGarcia Lawyer twitter)

小弟身為liberal中間偏左派(唔係香港嗰種左右),雖然明白白領、勞工階層喺呢個之前冷戰時期結束後幾十年既全球化下,的而且確受到唔少影響,移民/就業問題日益嚴重;亦贊成世界應該右傾番,保障自己既本土文化/利益,但唔該唔好用大話/「另一種真相」嚟煽動民眾支持自己 :O) 無錯,科學未必解釋到所有野,有啲野未必一定有真相/最好既解決方法,但咁唔代表所有觀點都可取,你可以無視數據/科學家既意見(雖然科學家/學術界都有啲問題,例如[1] 不過小弟覺得大部份原因都係funding問題引起,社會側重金融/經濟,輕學術所致)

喺現今呢一個只講fat check/alternative facts,唔講fact check/科學精神既世界,啲人可以有幾荒謬﹖以下係一個科學家/記者Johannes Bohannon做既社會實驗。

食朱古力可以減肥?!

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話說阿John喺2014年識左班德國既電視傳媒人,佢地想搵阿John合作拍一條片帶出喺坊間偽科學問題有幾嚴重,尤其係食物營養/減肥呢啲行業入面。為左更真實呈現問題有幾嚴重、傳媒有幾荒謬,佢地做左一個「實驗」,一個完全唔科學既「科學實驗」,題目係「食朱古力可唔可以幫助減肥」。

首先佢地開左一間叫The Institute of Diet and Health,得網站既空殼研究所。然後搵左個德國醫生幫手,用左1000歐羅請人做實驗既「白老鼠」,再搵一個統計員去「執靚」啲data。實驗結果係點? 當然係positive,食朱古力減肥「非常有效」,因為佢地只係搵左15個人做實驗 [slick] [slick] 仲未計一個成年女人係月經期間體重係可以有多達5磅既上落,所以要製造一個食朱古力可以幫助減肥既假象根本好容易。詳細解釋見:

http://io9.gizmodo.com/i-fooled-millions-into-thinking-chocolate-helps-weight-1707251800

更荒謬既係呢個咁唔科學既實驗結果竟然可以避過唔使同儕審查(peer review),喺相關科學期刊發表 :O) 當論文發表左,阿John就開始做「content farm 農夫」, 發表新聞稿(當然冇講實驗人數同點執data),仲拍埋片宣傳呢個「驚世大發現」。好快唔少記者開始「落沓」,傳媒報紙跟住瘋傳呢個「發現」,冇人認真深究呢個實驗既可信性或者向其他科學家查證。更加唔好講有啲連搵阿John吹水都懶,就算有都係問啲有引導性既問題,冇人考證過究竟實驗人數有幾多 [sosad] [sosad]

當然喺呢個「alternative facts」、科學乞食既時代,仲有更多荒謬既例子,尤其係香港,好似「盲搶鹽」同無基因改做食鹽咁[sosad][sosad] 真係多到不能盡錄…

https://www.thestandnews.com/cosmos/nutella-%E7%9C%9F%E7%9A%84%E8%87%B4%E7%99%8C%E5%97%8E/

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E6%9D%B1%E5%BC%B5%E8%A5%BF%E6%9C%9B%E5%B9%BE%E6%99%82%E6%94%B6%E6%AA%94/

https://thestandnews.com/personal/%E6%8D%B1%E8%B2%B4%E9%A3%9F%E6%9D%90%E7%9A%84%E8%AC%8A%E8%A8%80-%E5%A4%A9%E7%84%B6%E6%9C%89%E6%A9%9F%E9%B9%BD-%E7%84%A1%E5%9F%BA%E6%94%B9%E9%B9%BD/

 

最後送首歌俾大家,希望大家培養下科學精神,多啲用下腦同客觀啲咁睇野。如果唔係下次屋企冇廁紙你又走去便利店/舊居搵就唔好啦 😛

https://www.youtube.com/watch?v=hHa0zyM3KDc

下次再講。

Reference:

[1] https://www.thestandnews.com/cosmos/%E4%BF%A1%E5%BF%83%E5%8D%B1%E6%A9%9F-%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%88%90%E6%9E%9C%E7%9A%84%E5%8F%AF%E9%87%8D%E8%A4%87%E6%80%A7/

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E6%B7%BA%E8%AB%87%E7%A7%91%E7%A0%94%E6%93%8D%E5%AE%88-%E9%A3%9F%E6%97%A9%E9%A4%90%E6%9C%83%E9%AB%98%E5%88%86%E5%95%B2-%E4%BA%8C/

 

引申延讀:

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E5%BE%8C%E7%9C%9F%E7%9B%B8-%E5%B9%B4%E4%BB%A3-%E7%95%B6%E7%9C%9F%E7%9B%B8%E8%AE%8A%E5%BE%97%E4%B8%8D%E5%86%8D%E9%87%8D%E8%A6%81/

 

霍金O 嘴系列: 乜宇宙大爆炸論係我發表嘅咩? sosad

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適逢霍金(Stephen Hawking)75歲大壽,最近HK01出左篇「哲學」文<霍金:進退維谷的宇宙,奇點的爆炸 >[1] (文章已下架),講霍金「發表」宇宙大爆炸(big bang theory)同對量子重力(Quantum Gravity) ,即一個結合相對論同量子力學既「終極」理論,的貢獻。

作為一個宇宙學家,見到有報紙、人留意/寫下理論物理、宇宙學既野當然開心啦(雖然最後其實都係冇人理,好似係,sosad)。文章作者作為一個外行人(應該係,除非唔係),其實算寫得ok同錯唔晒,但小弟認為文章某D部份幾帶誤導成份︰

大爆炸論唔係霍金發表嘅(Big Bang was not proposed by Hawking)

無錯,霍金的確有唔少研究係關於宇宙同大爆炸理論。但如果要講邊個發表/對大爆炸理論最大貢獻既就肯定唔係霍金。大爆炸呢個理論既定立係起源於愛因斯坦(Albert Einstein)1916發表既廣義相對論(General Relativity)。發表完後,愛因斯坦首先自己嘗試應用黎研究宇宙既演進,但發現相對論中宇宙係一定會膨脹/收縮,但唔會靜止;於是加左個佢自己認為「一生人最大既錯誤(Einstein’s greatest blunder )」 – 宇宙常數(Λ, cosmological constant)入去令個宇宙靜止。但後來發現呢個得出黎既宇宙其實係唔穩定,好容易變番做膨脹/收縮中既宇宙。(不過而家睇番佢根本係先知,錯唔晒,haha)

 https://www.youtube.com/watch?v=nJsFsjSWYx0

同一時間,係1920,弗里德曼(Alexander Friedmann) 和「耶撚」勒梅特(Georges Lemaître)* 開始嘗試用廣義相對論研究膨脹中既宇宙,奠定左弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型( Friedmann–Lemaître–Robertson–Walker universe)[2]同弗里德曼公式(Friedman equations)[3]去解釋宇宙既演進。其後1929年哈勃(Edwin Hubble)更加發現星系光線紅移中,引證我地既宇宙係膨脹緊。兩年後,1931年勒梅特就提出大爆炸論,指宇宙係起源於一粒「太初原子」[4],之後60年代發現宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)再驗證左呢個大爆炸論。

咁其實霍金對大爆炸論有乜貢獻 ?_? 佢對大爆炸論既貢獻其實都唔細架,佢仲係劍橋博士生個時就已經同潘洛斯(Roger Penrose)研究相對論中既奇點(singularity)問題。其後佢地仲證明左一個乎合相對論同弗里德曼-勒梅特-羅佰臣-獲加宇宙模型既宇宙係一定會起源於奇點[5]。而奇點,即係好似黑洞(black holes)入面最中心、質量無限大個點,係相對論失效,再唔能夠解釋到任何野既地方。所以要直正理解大爆炸起源或者黑洞,就無可避免一定要研究量子重力,依個亦係霍金窮一生精力既研究課題。

PS: 無錯,以小弟所知,霍金的確係認為大爆炸之前係冇時間,所以討論大爆炸之前係無意義的。佢仲同哈托(James Hartle)發表左Hartle-Hawking state[6],一個乎合量子力學既宇宙波函數(wavefunction),指出宇宙係可以冇邊界條件(boundary conditions)。大爆炸個刻就好似你身處喺北極/南極咁,冇邊界,得空間冇時間,所以冇必要大爆炸之前係乜。不過呢個暫時仲係理論同亦有另外其他問題未解決到。有時間再講多D 😛

 最後祝霍金生日快樂!!

(最最後學唔知邊個創科局局長講句︰有邊個見過霍金?未啊?我見過!我真係見過!)

*無錯,耶撚都會讀物理同宇宙學架! 😄

[1] http://philosophy.hk01.com/%E8%B6%A3%E5%91%B3%E8%B2%BC%E5%9C%96/64248/%E9%9C%8D%E9%87%91%EF%BC%9A%E9%80%B2%E9%80%80%E7%B6%AD%E8%B0%B7%E7%9A%84%E5%AE%87%E5%AE%99%EF%BC%8C%E5%A5%87%E9%BB%9E%E7%9A%84%E7%88%86%E7%82%B8–01-08-(link已死)

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann%E2%80%93Lema%C3%AEtre%E2%80%93Robertson%E2%80%93Walker_metric

[3] https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%BC%97%E9%87%8C%E5%BE%B7%E6%9B%BC%E6%96%B9%E7%A8%8B

[4] http://www.pbs.org/wgbh/aso/databank/entries/dp27bi.html

[5] Hawking, Stephen; Penrose, Roger (1970). “The Singularities of Gravitational Collapse and Cosmology”. Proceedings of the Royal Society A. 314 (1519): 529–548.

[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Hartle%E2%80%93Hawking_state

書面語版現已刊於主場新聞

https://www.thestandnews.com/cosmos/%E9%9C%8D%E9%87%91-o-%E5%98%B4-%E4%B9%9C%E5%AE%87%E5%AE%99%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8%E8%AB%96%E4%BF%82%E6%88%91%E7%99%BC%E8%A1%A8%E5%92%A9/

[未來mode]冬天?咩黎架?食得架?

Since from when Hong Kong has moved into the southern hemisphere? I want a proper winter…. ><

#climatechange #trump

全世界變窮人系列:宇宙也會通脹? Part I (Our Universe also inflates? Part I)

宇宙大爆炸(Big Bang Theory)[1]呢個詞彙﹐就算未讀過物理、無睇過科普書、未聽過霍金吹水既﹐都至少應該由美國電視劇《生活大爆炸/囧男大爆炸(The Big Bang Theory) 》或者G-Dragon既kpop團聽過呢樣野。但你又知唔知作為一個物理理論﹐宇宙大爆炸其實係未完整同有唔少問題?

宇宙大爆炸有問題 (Shortcomings of the Big Bang Theory)

當中其中一個幾嚴重既問題﹐就係佢解釋唔到點解我地個宇宙係宏觀、大尺度上係咁均質(homogeneous)和各向同性(isotropic)。呢個其實係最先由哥白尼(Nicolas Copernicus)[2] 提出﹐即係好似梁、遊咁因為挑戰天主教教廷689/阿爺而不得好死嗰位「過街老鼠」、「滋事分子」﹐又稱為哥白尼原則(Copernican principle)[3]﹐而家已經得到唔少唔同既實驗證實左。當中最為重要既係宇宙微波背景(Cosmic Microwave Background, CMB)。另外一個問題就係佢又解釋唔到我地宇宙既結構點樣形成; 點解我地既宇宙唔係完全均質﹐又或者非常唔均質﹐即係D能量同質量(PS: 質量其實即係能量﹐記唔記得E=mc^2?)好似D股票、期貨指數咁完全雜亂(random)咁分佈係宇宙入面﹐而係相對平均、對稱咁分佈。

http://www.esa.int/var/esa/storage/images/esa_multimedia/images/2013/03/planck_cmb/12583930-4-eng-GB/Planck_CMB_node_full_image_2.jpg

(credits: ESA Planck Collaboration)

宇宙「通」脹論(Cosmic Inflation, not economic inflation)

無錯﹐你無睇錯﹐我地既宇宙其實係未發明錢、人類都仲未出現既時候﹐已經有「通」脹呢樣野﹐所以通脹﹐唔係「等價交換」﹐其實先係世界既真理 😄 所以對於每日都面對加價既香港人﹐你而家明點解啦 😛 唔係再怨、投訴啦﹐聽日記得繼續返工去抗衡通脹啦!

為左區分﹐其實宇宙「通」脹論正式既中文譯名叫宇宙暴脹論(cosmic inflation)[4]﹐雖然英文一樣都叫inflation [sosad][sosad] 呢個宇宙爆脹論就係用黎解釋、彌補上面講大爆炸嗰D問題。寫住咁多先(請見諒小弟唔識中文﹐寫得好慢)﹐有時間寫埋下半part﹐心急既可以先睇下面我寫既英文簡略版 🙂

[1] https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A7%E7%88%86%E7%82%B8

[2] https://zh-yue.wikipedia.org/wiki/%E5%93%A5%E7%99%BD%E5%B0%BC

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Copernican_principle

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)

英文簡略完全版:

Everyone probably heard of the term ‘Big Bang theory’, at least from the American television sitcom series. But do you know as a scientific theory, it is never a complete theory and have lots of shortcomings? Particularly, it fails to explain why our universe looks so isotropic and homogeneous on very large scales today and where the initial fluctuations that seed the formation of our Milky Way and solar system. Cosmic inflation (not the economic one), a theoretical model which is believed to have happened just moments after (about 10^-36 s) the Big Bang, offers explanations to these problems.

To get some insights about the Big Bang shortcomings and how inflation works, let us consider the following analogy: Imagine two unrelated babies born in a same hospital, but are later separated since their birth. Because of having very little time to interact with each other, we expect them and their lives after separated would be very different.

However, if the babies are twins, who have the same genetic makeup, things would be different. Since they are now related and their interaction time is prolonged, which can be traced back even before their birth, we do expect they may still look somewhat similar even after separated since birth. This is basically the idea of inflation, ‘prolonging’ the interaction time between different parts of the universe by exponentially expanding some very small causal patches to much larger size and even beyond the horizon in a very short time.

What’s more, thanks to quantum mechanics which suggests vacuum fluctuations exist, inflation can also explain the primordial fluctuations that seed structure formation in our universe as well.

超級月亮有幾超級?(How superb is supermoon?)

每逢有乜野天文現象出現,D平時掛住炒「野」,睇住個市、幾十萬上落既香港人同D只講強國、經濟既傳媒唔知點解都會「伽利略」(唔係神探,係意大利嗰個)上身,做一日半日天文學家。就好似最近一星期咁,D各大傳媒例如CCTVB咁,都爭相報導超級月亮呢個天文現象; facebook、instagram D人係咁share自己(或偷人地)拍既超級月亮。

咁究竟超級月亮(Supermoon)有幾超級呢?

其實超級月亮只係比平時滿月大左大概7%,同光左15%,肉眼其實睇唔到太大分別。呢個現象發生只係因為月球環繞地球既軌跡係橢圓,同地球既距離每日都唔同。超級月亮只係指當月球同地球最近果刻咁岩又係滿月,所以其實(如果要講)亦都有超級半月、超級新月、超級上/下弦月、超級月蝕…超級月亮(Supermoon)呢個名無錯係幾洗腦入耳,不過其實呢個天文現象冇乜特別(雖然講今次超級月亮既大細好似又係唔知點解成日聽到既幾十年一遇咁大)。

(Quote from thestandnews:) 所以著名天體物理學家 Neil deGrasse Tyson 就打趣地在網台節目中比喻:「如果你有一個 16 寸大的 Pizza,相比起一個 15 寸大的 Pizza,你會把它稱為『超級 Pizza 』嗎?

最後作為一個「唔識浪漫」既理論物理學家,我想講既係當大家一窩蜂咁影、睇呢D天文現象既時候,如果可以其實應該理解埋現象出現背後既原理,而唔係上網打完卡,湊完熱鬧就算。誇張D講,如果唔係第時有人share話有百年一遇既超級太陽,而大家又走去扲副太陽眼鏡去睇就唔好啦[sosad]

http://www.hko.gov.hk/blog/b5/archives/00000207.htm

http://www.bbc.com/news/uk-37969538

http://earthsky.org/astronomy-essentials/closest-supermoon-since-1948-nov-13-14-2016

https://thestandnews.com/cosmos/%E8%B3%9E%E6%9C%88%E8%89%AF%E6%A9%9F-%E8%B6%85%E7%B4%9A%E6%9C%88%E4%BA%AE%E6%98%9F%E6%9C%9F%E4%B8%80%E5%87%BA%E7%8F%BE/

網上有人影相將平時既滿月同超級月亮並排一齊比較大細,其實真係冇乜大分別[sosad]

http://prometheus.med.utah.edu/~bwjones/2014/08/normal-moon-vs-super-moon/

其他影得幾靚有藝術feel既相 (copied from BBC):

BTW, this is fake, 請唔好亂share:

http://www.newscrunch.in/2016/11/supermoon-basketball-photo-china-fake-so-many-other-things-viral-truth.html

PS: (暴露年齡時間)唔知每次賞月都會諗起呢套卡通同首歌。I miss living in England…

 

淺談相對論 [1.1]:光年 (Layman Introduction to Relativity 1.1: light years)

高登仔月經問題: 光年(light years)究竟係時間定距離既單位呢?

每一次當新聞出現NASA字眼/天文新聞既時候,唔少時候都會出現光年呢個字眼。而當有人將呢D新聞攞上討論既時候﹐除左會有一大班人走出來講神秘學、外星人之外﹐唔知點解成日都有人係度拗光年究竟係時間定距離既單位,最後騎劫埋個post [sosad]

咁究竟光年係時間定距離既單位呢? 唔少人都會認為係後者,指既係光係真空一年走既距離﹐而呢班認為係後者既高登仔仲會笑D認為係前者既係小學雞。咁其實答案係唔係真係距離既單位呢?

其實某程度上可以話兩個講法都岩﹐嚴格黎講我更加會話光年呢個詞既定義根本有問題 (ill-defined),一開始就唔應該用添。點解?因為時間既長短同3維空間既距離其實係同一樣野黎﹐指既都係兩點A、B係一個空間(時間+3維空間)既距離﹐只係你將佢分開project係時間同3維空間上睇。

就好似係一個2D平面(x,y)上﹐A (x1,y1) 同 B(x2,y2)兩點既距離你可以分拆做x既距離﹐x1-x2﹐同y既距離﹐y1-y2﹐咁睇一樣

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而且其實時間係相對(relative)﹐你指既一年同我指既一年可以唔同﹐更加會受重力(gravity)影響﹐就好似Interstellar套戲入面咁。而係光既「視點」時間更加係靜止添[sosad]不過要明白重力點影響時間就要講埋廣義相對論(General Relativity)﹐都係有機會先再講。:P

 

狹義相對論 (Special relativity)

狹義相對論 (Special relativity)建基於兩個假定(postulates):

1. 物理係任何座標,慣性系統(reference frame)都應該一樣,所有物理定律保持不變
2. 對係任何慣性系統中既所有觀察者,光係真空行走既速度都係一樣
(其實係對應所有質量為零<massless>既粒子)

第一個假定相信大部人都會同意﹐就好似係客觀事情、物件上﹐你睇到既世界同我睇到既世界應該一樣﹐冇野唔同。而第二個假定就係由電磁場理論(electromagnetism)中既馬克士威方程組(Maxwell’s equations)同相關實驗推斷出來。

而呢個『光係真空行走既速度都係一樣』既假定就係狹義相對論 (Special relativity)中關鍵﹐E=mc^2、雙生子悖論(twin paradox)、「同時」不存在、時間係相對呢D結果全部都可以由呢個假定推論出來。

其實係狹義相對論 (Special relativity) 入面﹐時間同距離係同一樣(除左有時間流逝﹐time of flow之外)﹐時間同我地日常生活睇到既3維空間係應該夾埋睇成一個叫做時空(Spacetime)既4維空間。係忽略重力(gravity)影響下﹐物理學上呢個時空叫做洛倫茲時空(Lorentzian Spacetime)。而大家係中學學既物理,日常生活應知既世界其實都係一個4維空間,時間都係空間既其中一維﹐物理學上我地叫伽利略時空(Galilean Spacetime)。呢兩個時空唔同既只係一個時間係相對(relative)﹐一個時間係絕對(absolute)。

時間係相對即係點?簡單講就好似你平時日常生活(伽利略時空)量度速度咁﹐每個人係唔同既慣性系統中量度出既速度可以唔一樣咁。

時間/3維距離、坐標轉換係唔同時空既詳細計算過程可以參考番友人個blog post同下面D links

https://phycat.wordpress.com/2015/03/27/%E4%BD%A0%E4%B9%9F%E8%83%BD%E6%87%82%E7%9B%B8%E5%B0%8D%E8%AB%96/

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E4%BC%BD%E5%88%A9%E7%95%A5%E5%8F%98%E6%8D%A2

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E6%B4%9B%E4%BC%A6%E5%85%B9%E5%8F%98%E6%8D%A2

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點都好﹐寫咁大篇野我其實只係想講既係光年其實唔係幾好既term。正確詳細既定義應該為「光係普通地球人係地球一年時間入面行左既距離」(講完都唔知自己講左咩[sosad]) 光年只係為左比大眾易D理解究竟一D星球、星系距離地球有幾遙遠而發明既term。天文物理學家通常用既單位係秒差距(parsec)或者天文單位(AU,Astronomical Unit)。

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E7%A7%92%E5%B7%AE%E8%B7%9D

https://zh.wikipedia.org/zh-hk/%E5%A4%A9%E6%96%87%E5%96%AE%E4%BD%8D

 

PS:「高登仔/香港人 mode」呢幾日天氣咪凍番囉,global warming 根本只係假像/短期波幅,用黎呃錢咋「高登仔/香港人mode」

well, i hope you at least take a look and think whether we are affecting the Earth as a whole or not